脉冲信号被动定位时延差估计方法研究

文章编号：１００２—８６８４（２０１０）０２—００４７—０４　匡０＠口讽＠响　囿　匡０＠＠　０，⑨囿＠⑨凹酏６＠　电声基础　

一种修正的近场声源定位时延估计方法　

杜要锋　，尹雪飞　，陈克安　（１．西北工业大学电子信息学院，陕西　安７１０１２９；２．西北工业大学航海学院，陕西西安７１００７２）　・论文・　

【摘要】时延估计是近场声源定位领域中的一项关键技术。相位转换广义互相关时延估计方法（ＰＨＡＴ－ＧＣＣ）由于　其低的计算复杂度和易于实现的特点使得此方法在实际的被动声定位系统中得到了广泛应用。但是此方法只能在　

高信噪比和适度混响条件下有较好的性能。针对此问题，给出了一种修正的ＰＨＡＴ—ＧＣＣ方法。并在不同信噪比和混　响环境下与ＰＨＡＴ—ＧＣＣ方法进行比较，仿真实验表明，修正的方法在较低信噪比下的抗混响性能有所提高。　【关键词】时延估计；近场；声源定位；广义互相关；混响　

【中图分类号】ＴＮ９１２．３　【文献标识码】Ａ　Ａ　Ｍｏｄｉｆｉｅｄ　Ｔｉｍｅ　Ｄｅｌａｙ　Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ＤＵ　Ｙａｏ－ｆｅｎｇ　，ＹＩＮ　Ｘｕｅ－ｆｏｉ　，ＣＨＥＮ　Ｋｅ－ａｎ。　（１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１０１２９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００７２，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＴＤＥ（Ｔｉｍｅ　Ｄｅｌａｙ　Ｅｓｔｉｍｍｉｏｎ）ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｉｎ　ｎｅａｒ—ｆｉｅｌｄ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ．　Ｔｈｅ　ＧＣＣ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　Ｃｒｏｓｓ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ＰＨＡＴ（ＰＨＡｓｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｃｈｏｓｅｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＴＤＥ　ｉｎ　ａ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐａｓｓｉｖｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　

基于二次相关的时延估计方法

随着科技的不断发展，信号处理技术也在不断地完善和提高。其中，时延估计是一项非常重要的技术之一。本文将围绕“基于二次相关的时延估计方法”进行阐述。

1、什么是时延估计？

时延估计是指在接收到信号的两个不同位置时，通过信号处理的方法来计算信号在两个位置之间传输所需要的时间差。时延估计在通信、雷达、声学等领域中都有广泛的应用。

2、时延估计的方法

时延估计的方法有许多种，其中基于二次相关的时延估计方法是一种常用的方法。该方法主要分为以下几个步骤：

（1）信号的预处理

首先，需要对接收到的信号进行预处理。这一步骤的目的是消除信号中的噪声和干扰信号等因素。常用的预处理方法有滤波、去噪等。

（2）信号的分帧

分帧是指将信号分成N段，将每段信号看做一个独立的处理单元。同时，每段信号的长度应该是固定的。这一步骤的目的是为了保证每个处理单元都具有相同的时间和长度。

（3）信号的二次相关

二次相关是指将信号进行整体偏移后再进行相关计算的方法。偏移量越大，相关值越小。该方法可以通过以下公式来计算：

其中，y表示接收到的信号，τ表示信号的相对延迟，R(τ)表示两个信号在τ时刻的相关函数，E[·]表示期望值。

（4）时延的估计

通过计算二次相关函数的峰值位置，即可得到信号之间的时延。具体来说，将所有的二次相关函数对齐，即可得到一个峰值，该峰值所在的位置就是信号传输的时延。 3、基于二次相关的时延估计方法的优缺点

（1）优点

二次相关法的原理简单，可以通过简单的数学公式来计算信号的相关性。且该方法对信号的噪声和干扰信号等因素有一定的容错性，可以有效地进行噪声滤除。

（2）缺点

二次相关法需要进行信号预处理、信号分帧操作等多个步骤，计算复杂度较高。同时，若信号长度较短，容易出现误差较大的情况。

综上所述，基于二次相关的时延估计方法是一种常用的信号处理方法，可以在一定程度上对信号进行滤波和去噪，同时对于信号噪声等的因素也有一定的容错性。但该方法也存在一些缺陷，需要针对具体情况进行优化和处理。

短波单站定位技术研究与应用

电子对抗以电磁波为介质,干扰、欺骗或破坏敌方的电子设备,从而剥夺敌方的信息获取能力。短波信号定位作为现代短波电子战系统的基本功能,不仅是电子对抗的重要手段,同时在民用方面也可为有关部门排除短波干扰和非法电台提供一定的信息支撑。短波单站定位技术是利用短波经电离层折射和散射的特点实现对短波辐射源的定位。单站定位可以避免多站交汇定位中所要求的多站合理布局、信息沟通、时间同步、装备保障等一系列问题,因而具有其独到的优势。传统的短波单站定位技术主要依靠电离层垂测信息和电离层模型实现对远方短波信号辐射源的定位,由于不能实时获取远方短波信号经电离层传输时电离层的实时变化数据,因此定位精度低。如果利用电离层斜向返回探测技术,准确地获取敌方辐射源高频信号传播过程中所经过的电离层区域(电波折射区位置)的电离层参数(高度、电子浓度分布、电离层半厚度等),同时结合测向信息(来波方位角和仰角),则可以在单站情况下对短波辐射源信号进行定位。基于此,本文构建了一种新体制短波单站定位系统,并就其中相关问题开展研究。同时对于电离层短波多模式传播的特点,我们提出了利用脉间二相编码信号的合作源单站定位系统构想,通过对短波电台的简单改造就可以利用该系统实现对其的定位,从而为战术决策和救援提供支撑。本文的主要工作和创新之处包括以下几个方面：1、首次提出了利用电离层斜向返回探测对短波辐射源定位的概念。斜向返回探测作为一种重要的电离层探测手段,可以实现单基地监测大范围电离层状态,因而在大范围电离层观测中具有与电离层垂直探测和斜向探测无可比拟的优势。将其用于短波单站定位系统中就能够实现真正意义上的单站定位。本文介绍了这种新体制单站定位系统的结构及其实现过程中的相关技术。多次实验结果表明,这种新体制单站定位系统在电离层平静状态下具有较好的定位性能。2、实现新体制短波单站定位技术的前提是获取斜向返回探测电离图,并对斜返电离图进行正确的自动判读和自动反演,以适应快速定位要求。本文综合利用图像形态学处理技术和多分辨率小波分析技术,对斜返电离图进行分区域信息提取,分别获得垂测回波描迹和F层斜返前沿,并将之作为反演算法的输入。同时改进了基于单层准抛物线模型的反演算法,利用垂测信息缩小算法搜索区间,从而大大缩短了反演时间。此外,本文还研究并讨论了利用国际参考电离层进行斜返反演的方法,实验证明该方法具有较好的性能,可以为研究东亚地区电子浓度剖面、本地区的电离层物理及空间天气提供一定的支撑。3、实现新体制短波单站定位技术的另一个关键技术是精确获取来波到达角信息。本文研究了基于平面阵列的二维到达角估计技术,重点讨论了二维干涉仪测向和二维MUSIC算法的差异,并对不同阵型下的二维干涉仪算法误差进行了分析。针对二维MUSIC估计中二维搜索计算量大耗时长的问题,提出了网格化的粒子群搜索算法,在保证较高的搜索精度的同时大大缩短了搜索耗时,具有实际工程应用价值。4、已方野战电台由于机动作战,指挥中心需实时掌握其位置信息。本文基于此,在新体制定位系统研究的基础上,提出了一种单站合作源目标定位系统的构想,其目的是对已方野战电台进行实时定位。该方法通过在短波电台加装能够产生特定信号波形(如脉间二相编码信号)的模块(机顶盒)发射信号,测向系统测量该信号的到达角,然后利用多个传播仰角实现对野战电台的定位。这种方法不同于传统的双站交汇定位技术,仅需单站即可实现目标定位。该构想与新体制定位相结合,即可实现单站方式对非合作源与合作源目标的定位。考虑到脉间二相编码信号相关后能够获得不同距离门上的信息,从而能够将具有不同时延的信号分离开来,本文初步讨论了脉间二相编码信号的到达角估计原理,并对伪随机编码信号的到达角估计进行了仿真分析。这类信号相关后对其进行到达角估计,能够获得不同传播模式(时延)下的到达角,这也为干涉信号测向提供了一种新的方法。本文还讨论了利用同一信号两个到达仰角及其时延差的被动定位技术。在考虑地面曲率情形下讨论了其解的唯一性,并利用数据将其与平面假设下的定位误差进行了对比。结果表明球面假设下的相对误差都在10%以下。

󰀁第29卷󰀁第5期2009年10月弹󰀁箭󰀁与󰀁制󰀁导󰀁学󰀁报JournalofProjectiles,Rockets,MissilesandGuidanceVol.29󰀁No.5Oct2009󰀁基于互相关和MUSIC算法的时延估计*蒋伊琳,司锡才(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,哈尔滨󰀁150001)摘󰀁要:为了避免相位干涉仪测向技术中存在的模糊问题,提高宽带信号时延估计的测量精度,把互相关和多重信号分类算法结合,引入到频域时延估计领域,研究了互相关MUSIC算法。利用互相关技术可消除非相关噪声,检测概率增加,减小了运算量。仿真结果表明,该算法具有较高的估计精度,较强的抗噪性和较强的鲁棒性,适用于电子对抗领域中的时延估计。关键词:互相关函数;多重信号分类;时延估计中图分类号:TN97󰀁󰀁文献标志码:ATimeDelayEstimationBasedonCross󰀁correlationandMultipleSignalClassificationJIANGYilin,SIXicai(CollegeofInformationandCommunicationEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Foravoidingfuzzyinthedirection󰀁findingtechnologyofphaseinterferometer,andforimprovingmeasuringprecisionofwidebandsignaldelayestimation,thecombinationofcross󰀁correlationfunctionandmultiplesignalclassifi󰀁cation(MUSIC)algorithmwasintroducedtothefieldoftimedelayestimation(TDE)infrequencydomain.AMUSICbasedoncross󰀁correlationfunctionhighprecisionTDEalgorithmwasresearched.Theirrelevantnoisecanbecomplete󰀁lyeliminatedbythecross󰀁correlationmethodintheory,andcomputationisreduced,thedetectionprobabilityincrea󰀁ses.Thesimulationresultsshowthatthealgorithmisfeaturedwithhighprecisionandrobustness,fittingforTDEine󰀁lectroniccountermeasure.Keywords:cross󰀁correlationfunction;multiplesignalclassification;timedelayestimation0󰀁引言电子对抗测向的基本原理是基于平面波到达不同天线间的路程差,即时延进行测向。但是时域测量精度受到较大限制,因此具有较高精度的相位干涉仪,在电子对抗领域中广泛采用。相位干涉仪测量信号到达空间相距一定距离的两阵元的相位差来实现对信源的定位、信号到达角估计等。但是传统比相测向方法需要三阵元来消除相位模糊,而且传统干涉仪测向算法主要集中在窄带信号,对雷达电子对抗领域中所要处理的宽带信号不能直接完成测向。文献[3-4]对电子对抗领域中的宽带信号测向提出了新的算法,但是仍需要多基线解模糊或对到达角进行预估计。线性调频信号(LFM)是一种常见的宽带信号,其具有良好的抗干扰性和隐蔽性,对于侦查截获接收机难以发现,无法进行检测、跟踪。因此对于低截获概率的宽带LFM信号的到达角或时延估计已经成为一个热点[5-6]。传统的逆傅里叶(IFT)时延估计方法可以用来解模糊或到达角预估计,而且比较适合于宽带信号的被动测向,但是其精度和分辨力难于保证,因此限制了其在电子对抗领域中的应用。文中研究了一种对LFM信号进行时延估计的互相关MUSIC算法,该算法适用于电子对抗或被动导引系统的宽带LFM信号时延估计或测向预估计。利用两个阵元通道之间的互相关处理得到信号匹配滤波结果,使其在延时域形成谱*收稿日期:2008-10-14基金项目:国防基础科研基金资助作者简介:蒋伊琳(1980-),男,浙江镇海人,博士研究生,研究方向:阵列信号处理、电子对抗等。󰀁第5期蒋伊琳等:基于互相关和MUSIC算法的时延估计峰。通过FFT变换,利用MUSIC算法测频的思想,实现了高精度的时延估计。该方法利用了宽带信号的大时宽󰀁带宽积特点,有效地抑制了白噪声,利用2个阵元即可有效去除测向模糊,减少了设备,计算量较小,易于工程实现。最后,仿真结果证明了该方法对LFM信号进行时延估计的有效性。1󰀁算法原理1.1󰀁信号模型